用压缩氢填充储存容器的填充装置、具有这种填充装置的加油站和储存容器填充方法

技术领域

本发明涉及一种用于以压缩氢填充至少一个储存容器、特别是运输工具储存容器的填充装置。本发明还涉及一种具有这种类型的填充装置的加油站且特别是加氢站。本发明还涉及一种以压缩氢填充至少一个储存容器且尤其是运输工具储存容器的方法。

现有技术

用于给运输工具加注汽油和柴油的传统加油站是早就已知的。还知道了如下加油站，在此，所谓的天然气式运输工具被充以处于400巴至1000巴压力下的压缩天然气。在此情况下，天然气大多以高达1000巴的压力被储存在地下储罐中并被供给待加注的运输工具。

此外，最近已越来越多地实现了加氢站，在这里，可以给经过适当改装的运输工具或现代燃料电池式运输工具加注气态氢和/或液态氢。在这些以下被称为加氢站的加油站中，气态氢和/或液态氢通过合适的加注接头被转送至待加注的运输工具。

越来越多的汽车制造商展示出由诸如天然气、液化石油气(LPG)或氢气等气体燃料来驱动的汽车，其中不仅包括轿车，也包括公共汽车、卡车和叉车。随着以压缩气体运行的运输工具数量增加，加油站且尤其是加氢站的数量也在增长。私人客户更频繁使用加氢站。因为与天然气或LPG相比，氢气具有更高的压力和更低的温度，故加氢尤其需要重新研发加注方法和其它装置。但是，还需要尽可能保持氢的低成本，以提高比之其它燃料的接受程度。这意味着也必须保持低的加油站投资成本。

已经有如下的加氢站，在这里，实现在高达700巴压力下给运输工具加注气态氢。为了能先后相继地和/或同时加注多个运输工具，一般采用如下加注方法，在此，大量加压气态氢被暂存在相应的压力缓冲器中。此外，要提供的压缩机系统的设定尺寸或设计必须能确保所需的体积流量。

各种活塞式或隔膜式压缩机在天然气行业中是已知的。特别是，活塞驱动式压缩机在此具有以下问题，即，它们所具有的密封或双重密封随着活塞运动而运动并相应承受大的负荷。一旦密封不严，压缩机就不再工作且必须检修。还需要探测可能有的泄漏，其如未被发现，则可能是对环境的威胁。隔膜式压缩机使用大隔膜来代替活塞。它们只能在很低的压力下启动并且只能产生很小的振动或行程。在这种情况下，很难看到膜中的微裂纹，这也可能导致泄漏。两种系统都存在可快速移动的密封解决方案的问题，这让密封承受极大压力。这些压缩机的维修相当费时，因为压缩机与气体(氢)接触。

此外，活塞式压缩机大多通过压缩空气或液压油来驱动。因为在压缩机内部有热膨胀，故待压缩气体(尤其是氢)会变热并且必须被冷却，这是非常耗能的。

在隔膜式压缩机中，设有隔膜的压头非常重，因此维护非常耗时，并且隔膜式压缩机要占用大量地方。必须规定特殊的箱形解决方案，并且压缩机上方的空间不可用，因为这是供维护所需要的。隔膜式压缩机易出故障，每天仅可启动或投入运行几次(每天不到3至5次)，这使得隔膜式压缩机的控制极为不灵活。在加油周期变化不定的加油站中，这是行不通的。当隔膜式压缩机仅很少地被启动时，即在其连续运行时，其使用寿命长。因此缘故，隔膜式压缩机通常被应用在压缩机全天运行的行业中。

相应地，当前已知的活塞式压缩机和隔膜式压缩机只能有限地被用在具有不固定的短加油周期的加油站且尤其是加氢站。

此外，专门设计用于运输工具加氢的已知加油站需要大量的冷却能。轿车加注例如需要气体(氢)在分流泵中进行-40℃预冷。在-40℃时，运输工具可以在约5分钟内被加注约5公斤氢而不会使运输工具的油箱系统过热。

运输工具通常直接由压缩机加注或形成具有环境温度的高压束。对于需要更多氢的地面运输工具，加注流量必须从就像在例如轿车中那样的60克/秒被提升到120克/秒、甚至180克/秒。但这意味着须将气体或氢冷却至更低温度并且需要更多的冷却能。

如上已简述地，在压缩气体、尤其是在压缩氢时，压缩装置(压缩机)的密封性是一个重大问题。氢是地球所蕴藏分子中的最小分子，这使得确保压缩装置密封性和整个加氢站的密封性变得困难。如果该系统尤其是压缩装置密封不严，则在泄漏时有很大危险。氢在利用活塞式压缩机或隔膜式压缩机的已知压缩中变得非常热，因此必须设置冷却装置来冷却浓缩的或压缩的气体(氢)。

因为在气体(氢)压缩后必须进行冷却，故已知的加氢站的能耗很高。在常见的氢压缩中，用于冷却压缩氢的能量用量几乎与氢压缩本身所需要的能量一样高。

为了满足上述关于压缩氢的可用性、尤其是更高的加注流量的新要求，DE 102009 039 645 A1例如提出一种用于给储存容器填充压缩氢的装置，其包括：a)至少一个用于储存液态的和/或气态的氢的储存容器；b)至少一个低温泵和/或至少一个压缩机，其用于压缩储存在储存容器中的氢；c)至少一个用于暂存压缩氢的高压储罐；以及d)管线系统，借此将来自储存容器和/或高压储罐的氢供应给待填充的储存容器，其中，给该高压储罐配属用于冷却和/或加热的机构。

如也描述了加氢站的DE 10 2016 009 672 A1所述，在液态氢储存中存在蒸发气体问题。DE 10 2016 009 672 A1提出了排出储罐的蒸发气体并将其用于冷却管道。液态氢的制备非常耗能，并且这种加氢站的效率因蒸发效应被相应显著降低。因为氢温度低，故将液态氢输送至加氢站也变得极其复杂。

发明内容

鉴于在用于运输工具加注的加油站中压缩并提供压缩的氢时的上述问题，本发明的任务是提出一种用于给至少一个储存容器填充压缩氢的加注装置、一种具有这种类型的加注装置的加油站和一种用于给至少一个储存容器填充压缩氢的方法，它们能够一方面减少针对提供和加注所需要的能量使用且另一方面将维护成本和运营成本降至最低程度。

所述任务通过一种根据权利要求1的用于以压缩氢填充至少一个储存容器的填充装置、一种根据权利要求12的加油站且特别是加氢站以及一种根据权利要求16的用于给至少一个储存容器填充压缩氢的方法来完成。

在从属权利要求中说明了本发明的优选改进方案，在这里，填充装置和加油站的主题可以被用在以压缩氢填充至少一个储存容器的方法的范围内，反之亦然。

在此情况下，本发明的基本构思之一是，用于给至少一个储存容器填充压缩氢的填充装置配备有压缩装置，该压缩装置为了氢压缩而具有压力容器，待压缩氢可被送入该压力容器中，其中，氢在该压力容器内优选可以通过阀来封闭，并且可通过增大可被通入压力容器中的压缩液体特别是水的液体体积来压缩。

通过这种方式，可以放弃上述常见的在氢压缩时与氢直接接触的活塞式压缩机或隔膜式压缩机，由此可以消除为此所述的易泄漏性以及与之相关的高维护成本的问题。此外，当以水作为压缩液体时，可以排除氢污染(外来原子的向内扩散)。此外，在所述的氢压缩方法中，氢温度仅会略微升高，由此可以放弃在用活塞式压缩机或隔膜式压缩机压缩之后常见的氢再冷却，由此可明显提高压缩过程的能源效率，进而提高整个填充过程的能源效率。

根据本发明的一个方面，一种用于给至少一个储存容器、特别是运输工具的储存容器填充压缩氢的填充装置包括：用于压缩待压缩的氢的压缩装置、至少一个用于暂存压缩氢的高压储罐以及管线系统，借助于管线系统，将待压缩的氢供给该压缩装置，然后可以将在压缩装置中被压缩的氢输送到高压储罐，然后可从那里供给待填充的储存容器，其中，该压缩装置具有压力容器，压缩液体且特别是水可被送入压力容器中，并且待压缩的氢能够以气态被通入压力容器中并可通过增大该压力容器内的压缩液体的液体体积而被压缩到预定压力P

换句话说，在压力容器内可供待压缩的氢所用的储存容积可以通过将压缩液体送入压力容器来减小，其中，一部分压缩液体可能已经存在于压力容器中，由此，氢可被压缩至预定压力或期望压力。相应地，被送入压力容器中的压缩液体量决定了可供待压缩氢所用的储存容积的体积变化，进而决定了氢的压缩或者说决定了氢压力升高。为了能够通过送入压缩液体来压缩压力容器内的氢，氢优选通过阀被封闭在压力容器中。

在此情况下可能有利的是，该压缩装置具有冷却装置，该冷却装置设立用于：将压缩液体、尤其在被送入或通入压力容器之前冷却到预定温度T

这样一来，可以在压缩过程期间通过与被冷却的压缩液体接触来被动冷却待压缩的氢。

此外有利的是，该压缩装置具有尤其从下方可将压缩流体供应至压力容器的供应管线。

此外优选的是，该压缩装置具有储存容器，压缩液体且尤其是水可被暂存在该储存容器中。通过这种方式，已被冷却的压缩液体可被再利用，由此能够减少用于压缩液体冷却的能量输入。

此外，在本发明的范围内，术语“运输工具”或“交通工具”或其它如下所用的类似术语通常包含：机动车，如包括运动型多用途车(SUV)的轿车、公共汽车、卡车、各种商用车；包括各种船艇的水上运输工具；飞行器、无人机等；混合动力车、电动车、插电式混合动力车、氢能汽车和其它替代可选车辆。如此处所述，混合动力车是具有两种或更多种能量载体的车辆，例如由汽油驱动且同时由电力驱动的车辆。

根据另一设计，该压缩装置具有压缩机构特别是高压泵，其设立用于将压缩液体以高达1000巴的工作压力P

此外优选的是，高压储罐设立用于在高达1000巴的压力下临时储存压缩氢，和/或压缩装置设立用于将氢压缩到高达1000巴的压力。

此外优选的是，所述至少一个高压储罐被分成多个储存段，它们最好可以彼此独立地来填充和/或排空，和/或设有最好可以彼此独立地来填充和/或排空的多个高压储罐。

还有利的是，该填充装置且特别是控制装置设立用于在储存容器填充时仅一直从其中一个储存段和/或其中一个高压储罐中取出暂存的氢，直到相应储存段和/或相应高压蓄能器的温度已经下降到预定极限值(T

在这种情况下，所述至少一个高压储罐可有利地设置在优选是绝热的冷却室中并在其中可被冷却到预定温度T

此外，该填充装置可以具有分配装置(分配器)，该分配装置优选配设有调温机构50，借此可以根据个别存在的框架条件来预调节被供给至少一个储存容器、特别是运输工具的至少一个储存容器的氢，在这种情况下，氢优选是在350-700巴之间的压力和-33℃至-40℃的温度下被供给储存容器的。

根据本发明的另一实施方式，该填充装置还具有快速连接器，借助于快速连接器，移动式储氢容器能够以流体导通方式连接至该填充装置并且可被充以压缩的氢。

本发明还涉及一种用于给运输工具加注压缩氢的加油站、尤其是加氢站，包括：优选设立用于与设置在待加注的运输工具中的相应接收装置配对的至少一个加注装置，以及用于填充至少一个储存容器的上述填充装置。

还有利的是，加油站附加具有储氢容器和/或快速连接器，借助快速连接器可以将移动式储氢容器与填充装置以流体导通方式相连，其中，在储氢容器和/或移动式储氢容器中，气态氢能够在1-500巴的压力下被储存，并且可通过填充装置的压缩装置而被压缩到高达1000巴的压力，以暂存在高压储罐中。

还有利的是，加油站且特别是控制装置设立用于：通过基于云的服务器和/或移动App与客户端且尤其是待加注的运输工具来交换关于其加注需求如加注量、加注温度、加注压力、加注速度(克/秒)、加注时间等的信息，并基于交换信息来相应确定或创建至少一个加注策略和/或加注预测。

本发明还涉及一种以压缩氢填充至少一个储存容器、特别是运输工具的储存容器的方法，该方法包括以下步骤：a)将待压缩的氢特别是气态氢送入压力容器，压缩液体能够被通入该压力容器中；并且b)通过将压缩液体通入该压力容器或通过增大该压力容器内的压缩液体的液体体积来将待压缩的氢压缩到预定压力(P

还优选的是，被送入压力容器中的压缩流体在送入或通入之前被冷却，尤其被冷却到1℃至5℃范围内的温度，尤其被冷却到1℃的温度，以在待压缩的氢的压缩期间因与压缩液体接触而将其被动冷却。

还有利的是，在压缩待压缩的氢的过程中将压缩液体的液位高度从最低液位高度H

根据本发明的另一实施方式，该方法还具有以下步骤：c)将压缩氢供应至并暂存在至少一个高压储罐中，d)降低该压力容器内的压缩液体的液位高度，特别是回降至最低液位高度H

还优选的是，该方法附加包括以下步骤：f)最好借助高压泵将压缩流体加压至最高1000巴的工作压力P

用于以压缩氢填充至少一个储存容器的填充装置可被集成在加油站特别是在加氢站中。此外，所述填充装置可被用在以压缩氢填充至少一个储存容器的方法中。因此，关于填充装置的以上描述所公开的其它特征也能被用在加油站特别是加氢站以及用于给至少一个储存容器填充压缩氢的方法中。反之，同样的情况适用于所述加油站和方法。

附图说明

装置、用途和/或方法的其它特征和优点来自以下参照附图对实施方式的说明，这些附图示出了：

图1示意性示出根据现有技术的已知的加注装置，

图2简化示出本发明的填充装置的一个实施方式，

图3简化示出具有移动式储氢容器的本发明的加油站的一个实施方式。

具体实施方式

在不同的附图中示出的相同附图标记表示相同的、彼此对应的或功能相似的零部件。

图1示意性示出根据现有技术的已知加注装置。图1示出了液化氢用储存容器S，其储氢体积在10-200m

还设有低温泵V和压缩机V'。低温泵V通过最好设计成真空隔绝的管线1而从储存容器S接收液态氢。实际所使用的低温泵V专为满足在运输工具加注时存在的要求。它们提供以下可能，即，在两阶段压缩过程中将液态氢从约1巴压缩到最高900巴。气态氢可通过管线1'从储存容器S被抽出并借助压缩机或压缩单元V'被压缩至在100-700巴之间的压力。

除了储存容器S外，还设有多个高压储罐A和B。实际上，它们通常被组合成覆盖至少三个不同压力范围的储库。因此，例如高压储罐A被设计用于400-700巴之间的储存压力，而高压储罐B被设计用于300-500巴之间的储存压力。通常设有例如针对50-400巴储存压力所设计的其它储罐。但以下方法也是可实现的，在此，仅设置一个或两个储库或甚至仅设置一个或两个高压储罐。

图2简化示出根据本发明的用于以压缩气态氢填充储存容器、特别是运输工具的储存容器的填充装置100的一个实施方式。如可从图2中看出地，填充装置100为此具有用于氢压缩的压缩装置1。在所示实施方式中，待压缩的氢例如以30巴压力经由氢供应管线21从例如设于地下的储库(未显示)被供给压缩装置1，氢以液态和/或气态的形式储存在该储库中。为了压缩氢，压缩装置具有压力容器2，压缩液体3可被送入该压力容器中，尤其被加压送入压力容器2中。在送入步骤中，当气态氢通过氢供应管线21被送入无压的压力容器2时，压缩液体处于以H

如果容器2完全充满待压缩的氢，则压力容器2通过关闭阀24被关闭，因此所输入的待压缩的氢无法逸出。接着，通过压缩机构6且特别是高压泵将压缩液体以预定压力经由供应管线7从下方送入压力容器中，由此，压力容器2内的压缩液体3的液位缓慢升高，因此，封闭在压力容器中的氢被压缩。如果压力容器内的压缩液体的液位达到目标液位H

为了主动冷却压缩液体3，所示压缩装置1配备有冷却装置4，它例如可以将压缩液体3(最好是水)冷却到约1℃的温度，这样一来，氢在压缩期间因与压缩液体3接触而被冷却，这使得不再需要下游的氢再冷却或至少将其简化。

此外，所示压缩装置还具有储存容器5，在将压力容器2排空之后且在再次的压缩过程之前，由冷却机构冷却的压缩液体3被暂存在储存容器中，由此能够减少冷却装置4的冷却工作。此外，在冷却机构4下游设有压力传感器PT和温度传感器TT，它们被连接至控制装置60且因此允许控制装置60来控制压缩装置6和冷却装置4，使得具有期望温度和期望压力的压缩液体3被送入压力容器2中。

在压缩过程结束后，关闭阀24的出口阀被打开，压缩的氢经由流体管线22被送至高压储罐10，压缩的(气态)氢能够以最高1000巴的压力被暂存在那里，直到其通过加注管23被送至待填充的运输工具。在此所示的高压储罐10具有多个储存段10A至10C，它们可以彼此独立地填充有压缩的氢。高压储存在其中的氢也能够从储存段10A至10C被单独取出，可以通过这种方式保证：在取出大量氢的情况下例如在填充/加注卡车之时，不会使单独的储存段10A至10C过冷。

图3还简化示出根据本发明的具有移动式储氢容器230的加油站200的实施方式。在图3的左侧仅示意性示出了根据本发明的填充装置100，它例如可以建立在产生氢的地点例如在风电场中。在那里例如由风力产生的电流可被高效地用于产生氢，尤其在电网中电流过剩之时。在那里产生的氢可通过根据本发明的填充装置100被压缩到例如700巴到1000巴的期望压力并被暂存在移动式储氢容器210中，该储氢容器可被集成到例如卡车车体中或可更换地容纳在卡车中。然后，可通过卡车将移动式储氢容器210送到加油站200并在那里通过快速连接器220与加油站的加注设备相连。

图3所示的加油站200具有分配装置40(分配器)，该分配装置配设有调温机构50特别是冷却机构。通过这种方式，可以在填充运输工具如公共汽车或轿车的储存容器期间预调节氢。换句话说，将被输送给运输工具的氢被如此调温和泄压，即，氢的参数符合运输工具的要求。加油站200也能够可选地配设有根据本发明的填充装置100，借此能够在必要时再次压缩从移动式储氢容器230中取出的氢。

对于技术人员显而易见的是，这些分别在不同的实施方式中描述的特征也可以在唯一的实施方式中实现，只要它们在结构上并非不兼容。同样，在单独的实施方式范围内所描述的不同的特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何合适的子组合方式来提供。

附图标记列表

1 压缩装置

2 压力容器

3 压缩液体

4 冷却装置

5 储存容器

6 压缩机构

7 供应管线

10 高压储罐

10A,10B,10C 储存段

20 管线系统

21 氢供应管线

22 流体管线

23 加注管

24 关闭阀

30 冷却室

40 分配装置(分配器)

50 调温机构

60 控制装置

100 填充装置

200 加油站

210 储氢容器

220 快速连接器

230 移动式储氢容器